Dynamische processen zonder evenwicht staan ​​centraal in veel kwantumtechnologische contexten. Echter, het is een belangrijke uitdaging gebleven om concepten te identificeren voor hun karakterisering en classificatie, omdat de resulterende kwantumtoestanden met opzet een beschrijving tarten in termen van statistische evenwichtsfysica om toestanden te realiseren die niet met conventionele middelen toegankelijk zijn. Wetenschappers hebben nu een karakterisering bereikt in termen van een dynamische topologische ordeparameter voor kwantumwandelingen, die een paradigmatische klasse van niet-evenwichtsprocessen vertegenwoordigen.

Coherentie in de kwantumdynamica vormt de kern van fascinerende fenomenen die verder gaan dan de klassieke natuurkunde, zoals kwantuminterferentie-effecten, verstrengelingsproductie en geometrische fasen.

Kwantumprocessen van inherent dynamische aard tarten een beschrijving in termen van een evenwichtsstatistisch fysica-ensemble. Tot nu toe, het identificeren van algemene principes achter de onderliggende unitaire kwantumdynamica die de kwantumcoherentie in stand houdt, blijft een belangrijke uitdaging.

Kwantumwandelingen bieden een krachtig en flexibel platform om experimenteel coherente kwantumtijdevolutie ver van thermisch evenwicht te realiseren en te onderzoeken. In tegenstelling tot klassieke willekeurige wandelingen, kwantumwandelingen worden gekenmerkt door kwantumsuperposities van amplituden in plaats van klassieke kansverdelingen. Dit echte kwantumkarakter is al gebruikt in verschillende gebieden van de natuurkunde, variërend van het ontwerp van efficiënte algoritmen in de verwerking van kwantuminformatie, observatie van gecorreleerde dynamiek en Anderson-lokalisatie, tot de realisatie van exotische fysische fenomenen in de context van topologische fasen.

Hoewel de topologische volgorde kan worden opgehaald in de echte ruimte, toegang krijgen tot de volledige complexe amplitude-informatie die de coherente superpositie karakteriseert, blijft een van de belangrijkste uitdagingen in experimenten met kwantumwandelingen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , wetenschappers van het CAS Key Laboratory of Quantum Information en internationale medewerkers rapporteerden over de directe observatie van een dynamische topologische ordeparameter (DTOP) die zorgt voor een dynamische karakterisering van kwantumwandelingen.

Hiertoe, ze realiseerden een gesplitste kwantumwandeling in een fotonisch systeem met behulp van het raamwerk van tijdmultiplexing. Met behulp van een eerder ontwikkelde techniek, ze bereikten volledige tomografie van de in de tijd geëvolueerde kwantumtoestand voor maximaal 10 volledige tijdstappen. belangrijk, dit leverde de volledige complexe amplitude-informatie van de kwantumlooptoestand op.

"Dit is essentieel voor ons centrale doel van een dynamische classificatie van de kwantumwandeling met behulp van de DTOP, aangezien de DTOP het fasewikkelingsgetal ω_D (t) in momentum-ruimte meet, namelijk van de zogenaamde Pancharatnam geometrische fase (PGP)".

Uit de experimentele resultaten, ze ontdekten dat dynamische overgangen tussen topologisch verschillende klassen van kwantumwandelingen uniek kunnen worden onderscheiden door het waargenomen tijdsafhankelijke gedrag van ω_D (t).

"Voor een quench tussen twee systemen met hetzelfde topologische karakter, we vinden ω_D (t)=0 voor alle tijdstappen; in plaats daarvan, voor een quench tussen twee topologisch verschillende systemen, ω_D (t) begint ook bij ω_D (t=0)=0, maar op bepaalde kritieke momenten monotoon van waarde verandert, " voegden ze eraan toe.

Deze observaties generaliserend, ze stelden verder een unieke relatie vast tussen het gedrag van ω_D (t) en de verandering van een parameteruitdoving in de topologische eigenschappen van een effectieve Floquet Hamiltoniaan die stroboscopisch de kwantumwandeling beschrijft.

De wetenschappers concluderen:"Op deze manier we bieden een niet-evenwichtsperspectief op kwantumwandelingen, die kan worden opgevat als een startpunt voor het benaderen van tijdsafhankelijke processen vanuit een inherent dynamische hoek die verder gaat dan het begrip statistische evenwichtsfysica. Hiermee en het in kaart brengen op dooft in een equivalent kwantum veellichamensysteem, ons experiment biedt een veelzijdig platform om coherente niet-evenwichtsdynamiek van veel paradigmatische modellen te bestuderen, zoals het Su-Schrieffer-Heeger-model, de p-golf Kitaev-keten, of het transversale veld Ising-model in de toekomst."